Equilibrium and Transport Properties of Primary, Secondary and Tertiary Amines by Molecular Simulation

Propriétés d’équilibre et de transport d’amines primaires, secondaires et tertiaires par simulation moléculaire

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
² Departament d’Enginyeria Quimica, ETSEQ, Universitat Rovira i Virgili, Av. dels Paїsos Catalans 26, 43007 Tarragona – Spain
e-mail: veronique.lachet@ifpen.fr

^* Corresponding author

Abstract

Using molecular simulation techniques such as Monte Carlo (MC) and molecular dynamics (MD), we present several simulation results of thermodynamic and transport properties for primary, secondary and tertiary amines. These calculations are based on a recently proposed force field for amines that follows the Anisotropic United Atom approach (AUA). Different amine molecules have been studied, including n-ButylAmine, di-n-ButylAmine, tri-n-ButylAmine and 1,4-ButaneDiAmine for primary, secondary, tertiary and multi-functional amines respectively. For the transport properties, we have calculated the viscosity coefficients as a function of temperature using the isothermal-isobaric (NPT) ensemble. In the case of the pure components, we have investigated different thermodynamic properties using NVT Gibbs ensemble simulations such as liquid-vapor phase equilibrium diagrams, vaporization enthalpies, vapor pressures, normal boiling points, critical temperatures and critical densities. We have also calculated the excess enthalpies for water-n-ButylAmine and n-heptane-n-ButylAmine mixtures using Monte Carlo simulations in the NPT ensemble. In addition, we present the calculation of liquid-vapor surface tensions of n-ButylAmine using a two-phase NVT simulation as well as the radial distribution functions. Finally, we have investigated the physical Henry constants of nitrous oxide (N₂O) and nitrogen (N₂) in an aqueous solutions of n-ButylAmine. In general, we found a good agreement between the available experimental information and our simulation results for all the studied properties, ratifying the predictive capability of the AUA force field for amines.

Résumé

Grâce à la mise en œuvre de techniques de simulation moléculaire telles que le Monte Carlo et la dynamique moléculaire, nous présentons ici différents résultats de simulation de propriétés thermodynamiques et de transport pour des amines primaires, secondaires et tertiaires. Ces calculs utilisent pour représenter les amines un champ de force récemment proposé basé sur l’approche des Atomes Unifiés Anisotropes (AUA). Différentes amines ont été ainsi étudiées, parmi lesquelles la n-ButylAmine (amine primaire), la di-n-ButylAmine (amine secondaire), la tri-n-ButylAmine (amine tertiaire) et la 1,4-ButaneDiAmine (multi-amine). Des simulations conduites dans l’ensemble isotherme-isobare (NPT) nous ont permis d’accéder aux propriétés de transport (coefficients de viscosité) de ces molécules en fonction de la température. Nous avons également étudié différentes propriétés d’équilibre de ces mêmes constituants (diagrammes de phase liquide-vapeur, enthalpies de vaporisation, pressions de vapeur saturante, températures d’ébullition, températures et densités critiques) grâce à la mise en œuvre de calculs Monte Carlo dans l’ensemble de Gibbs NVT. Nous avons aussi calculé les enthalpies d’excès des mélanges eau-n-ButylAmine et n-heptane-n-ButylAmine par simulation Monte Carlo NPT. Nous présentons également des calculs de tensions superficielles de la n-ButylAmine et des fonctions de distribution radiale. Enfin, nous nous sommes intéressés aux constantes de Henry physiques du protoxyde d’azote (N₂O) et de l’azote (N₂) dans des solutions aqueuses de n-ButylAmine. D’une manière générale, nous avons obtenu un bon accord entre les informations expérimentales disponibles et nos résultats de simulation pour l’ensemble des propriétés étudiées, témoignant de la capacité de prédiction du champs de force AUA pour les amines.